Den globala energiförbrukningen accelererar i en alarmerande takt. Det finns tre huvudorsaker:snabb ekonomisk expansion, befolkningstillväxt, och ökat beroende av energibaserade apparater över hela världen.

Vårt ökande energibehov och miljöpåverkan från traditionella bränslen utgör allvarliga utmaningar för människors hälsa, energisäkerhet, och miljöskydd. Det har uppskattats att världen kommer att behöva fördubbla sin energiförsörjning till 2050 och det är avgörande att vi utvecklar nya energislag för att möta denna utmaning.

Bränsleceller använder vanligtvis dyra platinaelektroder, men ett icke-metallalternativ kan vara en prisvärd lösning för energisäkerhet. Bränsleceller genererar elektricitet genom att oxidera bränsle till vatten, ger ren och hållbar kraft.

Väte kan användas som bränsle. Först, väte delas upp i sina beståndsdelar elektroner och protoner. Då genererar elektronflödet elektrisk kraft, innan elektronerna och protonerna förenas med reducerat syre, bildar vatten som den enda biprodukten.

Denna teknik har hög energiomvandlingseffektivitet, skapar praktiskt taget inga föroreningar, och har potential för storskalig användning. Dock, den livsviktiga reaktionen som genererar reducerat syre i bränsleceller kräver en katalysator – traditionellt sett en platinaelektrod. Tyvärr, de höga kostnaderna och begränsade resurserna har gjort denna ädelmetallkatalysator till den primära barriären för massmarknadsbränsleceller.

Ända sedan bränsleceller som använder platina utvecklades för Apollo-månuppdraget på 1960-talet, forskare har utvecklat katalysatorer gjorda av legeringar som innehåller platina tillsammans med billigare metaller. Dessa legeringskatalysatorer har en lägre platinahalt, ändå kräver kommersiell massproduktion fortfarande stora mängder platina. För att göra bränsleceller till ett livskraftigt storskaligt energialternativ, vi behöver andra effektiva, låg kostnad, och stabila elektroder.

Vi upptäckte tidigare en ny klass av billiga metallfria katalysatorer baserade på kolnanorör med tillsatt kväve, som presterade bättre än platina i basbränsleceller. Den förbättrade katalytiska prestandan kan tillskrivas kväveatomernas elektronaccepterande förmåga, vilket underlättar syrereduktionsreaktionen. Dessa kolbaserade, metallfria katalysatorer kan dramatiskt minska kostnaderna för kommersialisering av bränslecellsteknologi. Tyvärr, de visar sig ofta vara mindre effektiva i sura förhållanden – de typiska förhållandena i vanliga bränsleceller.

Användning av kolkompositer med en porös struktur för att öka ytan och nanorör för att förbättra konduktiviteten, vår senaste forskning visar att våra nanomaterial kan katalysera syrereduktion lika effektivt som de senaste oädelmetallkatalysatorerna – och med en längre stabilitet. Detta första framgångsrika försök att använda kolbaserade metallfria katalysatorer i sura bränsleceller skulle kunna underlätta kommersialiseringen av prisvärda och hållbara bränsleceller.

Förutom bränsleceller, dessa nya metallfria kolnanomaterialkatalysatorer är också effektiva elektroder för lågkostnadssolceller, superkondensatorer för energilagring, och vattenklyvningssystem som genererar bränsle från vatten. Den utbredda användningen av kolbaserade metallfria katalysatorer kommer därför att resultera i bättre bränsleekonomi, en minskning av skadliga utsläpp, och ett minskat beroende av petroleumkällor. Detta kan dramatiskt påverka livet inom en snar framtid.

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).